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[自然科学]人类能不能模仿树叶的光合作用进行制作出类似机器? |
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基于现在农田土地有限,人类能不能模仿树叶的光合作用进行制作出类似机器?然后大量生产粮食,衣食无忧了 |
这题我会啊! 还记得这个图不? |
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21 年的 9 月,我国科学家完成了一项壮举,就是用人工方式替代了光合作用,利用自然界的太阳光,以及二氧化碳和水,最终生成了淀粉。 如果看上边的反应过程比较眼晕的话,可以看一个简化流程。 |
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原理也并不复杂,基本就是太阳能、风能等各种能源发电,电解水生成氢气,氢气跟二氧化碳在化学催化反应下生成甲醇。 |
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然后以甲醇为基础,试用多种酶,使其最终合成为淀粉。 概括下来就是前边太阳能发电,后边化学合成,最后用合成生物学的方法来合成淀粉。 就是约等于,用了太阳光,空气和水,完成了人造的光合作用。 所以,这东西原理已经清晰了,最基础的通路也跑通了,目前面临的问题还是转化率啊,能耗啊,成本等等方面。 这里边,目前包括中国在内的全球多个团队都在研究提高太阳能到氢能到甲醇的一系列通路的效率,而同时我们的科学家也在不停的迭代提高甲醇到淀粉的合成效率。 根据天津工业生物所的大佬在 2022 年的分享里介绍,他们当时已经迭代了三代淀粉合成技术。比21 年大家在新闻里看到的水平提高了几十倍,3代技术的碳转化速率已经是自然界玉米淀粉合成的8.5倍。 现在是 23 年了,不知道大佬们有没有迭代到 4 代,5 代。 当然更值得期待的永远是下一代。 另外也有很多人说,这东西不实用,离工业化还很远。 但回旋镖是来的飞快啊,去年5月27日中科院天津工业生物技术研究所所长马延和表示:二氧化碳人工合成淀粉的吨级中试装置已经建成,目前正在进行测试! 吨级中试是什么概念呢?虽然还做不到大规模量产,但如果必要的话,按照这个东西去爆产能也是能行的。 |
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所以题主想问的机器,它可能就是这样的大号发酵罐。看着一点也不科幻是吧,其实新闻媒体在做 CG 动画的时候已经搞的科幻的了。 |
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实际上真的如果修了工厂,它可能会是这样子的。 |
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所以怎么说呢,这应该是有生之年能看到的,通过能源、化工和合成生物学的通力合作,我们未来就很有可能吃的都是工厂合成的淀粉制品了。到时候农业产品的面粉可能会成为高档的稀罕物。 倒时候会不会有什么二厂产的馒头吃着比一场产的就是更地道、更香的梗,也说不定呢? |
这个问题的核心其实不是“能不能”做到,而是人工光合作用的“效率”和“成本” |
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一种人工光合作用的仪器 https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=q2lPQWL3o0U 人工光合作用(Artificial photosynthesis)其实由来已久,已经说不上是个特别新奇的科研领域了 在自然环境里,光合作用是植物利用光能,将水和二氧化碳转化成碳水化合物和氧气,从而将光能转化、固定成为可以储存的化学能 然而光合作用的反应实际上分成两步:第一步有阳光参与,将水分解成氧气和质子;第二步卡尔文循环(Calvin-Benson cycle)将二氧化碳合成葡萄糖,然而这一步并不需要阳光的直接参与 人们的潜意识中,可能认为“人工光合作用”就是模仿植物,用人工的方式利用阳光,将水和二氧化碳转化成碳水化合物和氧气 然而实际上,人工光合作用关注的是光合作用的第一步,也就是如何用阳光催化分解,将水转化成氢气和氧气。而作为太阳能燃料的氢气,才是人工光合作用的目标产物 |
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https://www.researchgate.net/publication/348874097_Metabolic_Engineering_of_Cupriavidus_necator_H16_for_Sustainable_Biofuels_from_CO2 ↑一个人工光合作用的模型和植物光合作用的比较,人工光合作用的目标产物是氧气和氢气 通过人工化合作用,将光能固定为化学能(太阳能燃料),或者直接将光能转化成电能的运用其实已经相对常见了,我们日常生活中也已经能接触到 太阳能燃料(氢气)作为一种不会产生污染的清洁能源,受到的关注和研究也比较多,重点已经不是能不能做到,而是如何更好、更快、更高效地将水催化成氧气和氢气 ↑不过我觉得提问者想问的不是这个 而如果指能否通过人工光合作用直接用水和二氧化碳生产粮食(碳水化合物,如葡萄糖和淀粉),我粗略地查了下论文,相关的研究其实也不少了 但这些转化的本质,说穿了只是用阳光提供能量(质子),再用合适的催化剂,将二氧化碳转化成其它含碳产物 |
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https://www.mcgc.com/english/kaiteki_solution_center/oursolution/01.html ↑一个通过人工光合作用催化生产塑料材料的模型 这些模型归根结底,重点在于效率和成本——毕竟市场上的粮食价格那么低,用催化剂生产碳水化合物效率低成本高,相较之下,毫无竞争力和运用前景 于是理论技术一回事,实际运用又一回事,两者之间,距离尚远 ?犬君拌汪酱 知乎认证生物学、昆虫学优秀答主,快来关注这条人畜无害的生态狗吧! 喜欢这篇回答的话给个三连吧谢谢! |
我把19年的一个回答搬过来。这回答肯定过时了,这几年还有别的人工光合作用的文章问世。但是我这几天太忙了,实在没时间去查最新文献写。大家凑合看。等我闲下来,我更新一下这回答就好。 光合作用反应可以被模拟吗? - 淡腾铲屎官二号的回答 - 知乎 光合作用反应可以被模拟吗?43 赞同 · 3 评论回答 |
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加州大学伯克利分校的杨培东先生就是做这方面工作的,纳米人公众号在做过专题。总体来说,是以杨培东先生擅长的纳米材料为基础, 利用纳米材料捕获光能,然后进一步实现光解水以及进一步二氧化碳的反应。 http://www.pnas.org/content/112/37/11461.short?www.pnas.org/content/112/37/11461.short 这是杨培东先生在PNAS上撰写的综述,详细介绍了近几年在生物无机材料在人工光合作用上的进展 |
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这个就是综述总提到的一个套路了,先利用纳米线捕获光能,最后光产氢,产生的氢气进一步与二氧化碳反应,产生有价值的产物(比如:甲烷)。 Nanowire–Bacteria Hybrids for Unassisted Solar Carbon Dioxide Fixation to Value-Added Chemicals?pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b01254 |
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这篇文章是杨先生2015年在Nano Letters上发表的工作。和综述描述类似,利用纳米线捕获光能,然后光解水产生氢离子,最后进行二氧化碳还原,产生乙酸,最后进一步反应,得到各种经济产物。 |
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Self-photosensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production?science.sciencemag.org/content/351/6268/74.full |
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这篇文章是杨先生16年发表的Science,这个套路就不一样了,半人工半自然可持续光合作用。首先在热醋穆尔氏菌表面自组装上光敏感的CdS晶体,然后在CdS的作用下,捕获光能,像细胞内输送氢离子,在细胞内进行二氧化碳的还原,产生乙酸。 |
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Cysteine–Cystine Photoregeneration for Oxygenic Photosynthesis of Acetic Acid from CO2 by a Tandem Inorganic–Biological Hybrid System?pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02740 |
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这篇文章应该就是Science那篇文章的后续,做了一定的改进,一作都是同一个人。 Spectroscopic elucidation of energy transfer in hybrid inorganic-biological organisms for solar-to-chemical production?www.pnas.org/content/113/42/11750 这篇PNAS也是介绍的类似的二元半人工半天然光合作用系统 其实抛开人工光合作用的话,二氧化碳的还原一直就是一个很热门的话题。下面附上几篇杨培东先生在二氧化碳还原上的近期工作 Structure-Sensitive CO2 Electroreduction to Hydrocarbons on Ultrathin 5-fold Twinned Copper Nanowires?pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b05287 |
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Directed Assembly of Nanoparticle Catalysts on Nanowire Photoelectrodes for Photoelectrochemical CO2 Reduction?pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02321 |
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A Molecular Surface Functionalization Approach to Tuning Nanoparticle Electrocatalysts for Carbon Dioxide Reduction?pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b02878 |
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人工光合作用已经研究数十年了,目前成功的可能性仍然很小。不要说绿色植物这种高等级的二类光合作用系统,就是最简单的蓝藻、紫细菌这些,仍然没有完全搞清楚。 对于植物本身来说,它的瓶颈其实并不在所谓的光能转化学能这一步,对它来说,光激发的能量是相干输运到反应中心,然后直接进行电荷转移,生成高化学活性的氧自由基。整个过程都是在激发态的流形里相互转移。至于后面含能物质ATP,以及糖原的合成,则都是高能自由基作用下的产物。 人类难以模拟整个过程的关键,就是自由基的不可控。一是自由基不能稳定存在,二是它的扩散无法定向移动。说白了,就是化学上对自由基的认识仍过于浅薄,更加谈不上操控。 正因如此,人类目前对光合作用的模拟是分割开的。光激发的激子过程,反应中心的电荷转移过程,以及后续的固碳过程等,相互之间不在一个实验里完成,甚至采用的理论模型都不兼容,也就谈不上是完整的模拟。 目前最接近光合作用的就是有机光伏,其中至少包含了相干能量(激子)转移过程,这是与光合作用一致的。但从唯象角度看,光合作用最终要固定为化学能,而光伏原则上要“即插即用”,也就是产生的电能必须马上使用。 当然你也可以再外接个储能电池接到光伏电池上面,至少形式上与光合作用一致,也是通过化学能储存光能。只不过这个效率差异就太大了,目前最理想的储能电池,也不能和最差的光合作用系统相比拟。除非用上超导电池,那又是另一个故事了。 所以以前也有人提出过这个模型,就是光合作用的这个相干激子,跟超导库珀对,在物理上有非常多相近的地方,甚至也有不少人认为生物体当中大量存在的量子相干过程本质上就是超导或超流。这是一个值得探索的有趣课题。 现在很多地方已经大规模建设了光伏发电站,上面是电池,下面是蓄养场,这算是一个宏观的光合作用系统了,虽然效率肯定无法和植物比,但却是目前人类科技能做到的上限。 要真正实现对光合作用的微观模拟,光化学的理论突破是关键。目前光化学里面比较拿得出手的,也就是小分子在光场作用下的结构转变,所谓光致同分异构化,这种相对比较简单好处理的问题。真正的生物大分子的光化学反应,有用的知识几乎没有。 化学反应是一个电子转移过程,在传统化学理论中,这个转移的唯一驱动力是化学势差,也就是电子在空间上不平衡了,所以要转移出去。而光是一个没有化学势的东西,这让化学家们完全不知该如何应对。 光电转换在任何意义上都是量子过程,没有经典热力学的成分。但目前的主流化学理论仍然试图采用经典热力学加以描述,这本身就已经注定了不可能在光合作用这样的体系中有所作为。所以,这样的课题只能留给将来那些不受思想束缚的人去解决。 |
目前还没有实现完全模仿,而且也没有经济价值,太阳能转化效率也远低于光伏。 光合作用分为两个步骤,光反应和暗反应(碳反应)。光反应可以光解水,产生氧气;产生氢离子,为暗反应提供还原剂;产生ATP,为暗反应提供能量;而暗反应通过一系列的酶促反应,把二氧化碳转化为葡萄糖,包括最常见的卡尔文循环、以及不太常见的还原性三羧酸循环、3-羟基丙酸途径、核酮糖-单磷酸途径、丝氨酸途径等。 人工光合作用,主要是针对光反应或部分暗反应,目前并不能直接制造葡萄糖,大多只是生成氢离子,然后再提供给细菌去完成部分暗反应,或者再进一步直接生成乙酸,再用细菌、真菌、植物去利用。 |
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1、硅和氧化钛纳米材料催化光反应+细菌半暗反应 劳伦斯伯克力国家实验室研究人员通过纳米线(由硅和氧化钛构成)来捕获太阳光并将其转换为运动的高能电子,然后将电子转移给细菌(Sporomusa ovata),这种细菌能够利用流动电子来分解二氧化碳,生成乙酸盐。这种方式仅取得不到 1% 的太阳能转化效率,与自然界中的绿色植物的效率大体一致。[1] |
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2、电催化+细菌半暗反应 美国加州大学河滨分校研究人员直接略过光反应,通过两步电催化过程,把二氧化碳和水转化为乙酸盐,而一些生物可以在黑暗的环境中通过消耗乙酸盐来生长,比如绿藻、酵母和产蘑菇真菌。通过这种技术生产的藻类,其能量转化效率大约是光合作用的4倍!酵母生产的能量转化效率是通常使用从玉米中提取的糖来培养的18倍。而且,研究团队还调查了利用这项技术种植农作物的潜力,结果表明,豇豆、番茄、烟草、水稻、油菜和青豆等多种常规农作物都可以在黑暗环境下利用乙酸盐来生长。[2] |
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参考^模仿自然——人工光合作用作为一种能源 https://www.arrow.com/zh-cn/research-and-events/articles/mimicking-nature-artificial-photosynthesis-as-a-power-source^完全绕过阳光,华人团队开发人工光合作用生产食物,最高效率可达18倍 https://news.bioon.com/article/1ae8e3072331.html |
利用太阳能将水和二氧化碳转换为氧气和碳水化合物的过程,是地球上最重要的能量转换和物质转换过程,为包括人类在内的几乎所有生物提供了赖以生存的物质基础和能源基础。 |
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光合作用(图源:维基百科) 要问人类能不能模仿树叶的光合作用进行制作出类似机器,那当然是有可能的。20世纪80年代就有人工光合作用这个概念,但由于效率不高、成本高昂,产业化的路还很长。不过在我看来,人工合成光合作用与自然界光合作用相比,还是有些差别,不像自然界光合作用那么“一气呵成”,基本都是干到制氢那一段,然后再与二氧化碳固化合成有机物。 基于目前的研究情况,人工光合作用系统主要有两类:第一类是模拟自然光合作用系统设计制备的有机超分子;第二类则是利用无机半导体材料的光催化特性设计制备的人工光催化体系。[1] 一、模拟自然光合作用系统 这个技术路线是以有机物为基础合成超分子。 绿色植物的光合作用是由PS Ⅱ、Cytb6 /f复合体、PS Ⅰ以及ATP酶复合体等蛋白复合体协作完成的,它们参与了光能吸收、传递与转化、电子传递、H+输送以及 ATP 合成等反应。 而太阳能产氢系统的三个关键部分如下:①是吸收太阳光并能产生电荷分离的光敏剂;②还原水分子产生氢气的催化剂;③氧化水分子产生氧气的催化剂。[2]整个系统可以参考下面这个模型:[3] |
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光致放氢放氧体系模型 其中光敏剂、电子受体和产氧催化剂都可以参考自然光合系统的PS Ⅱ结构,产氢催化剂则可参考光合细菌的氢化酶。 因此,对PS Ⅱ结构和微观原理的研究一直是这个领域的热点和难点。 |
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PS Ⅱ整体结构二、无机半导体人工光合作用系统 这个技术路线就显得比较粗暴了,主要是以无机半导体材料的光催化特性来实现光解水制氢,再通过固定二氧化碳制造有机物。 目前探索出来的光催化剂已有数百种,但研究最多的还是基于 TiO2" role="presentation">TiO2TiO_{2} 的无机人工光合作用系统。这个原理最早可以追溯到1967年发现的本多-藤岛效应:将 TiO2" role="presentation">TiO2TiO_{2}单晶电极与Pt 电极相连放入水中,在太阳光的照射下,水能被分解成氢气和氧气。 |
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二氧化钛光解水的基本原理三、小结 最后根据我自己的理解,做个简单的总结: ①人工光合作用技术是存在的,但主要是通过光催化系统,让水在光能的驱动下分解成氢气和氧气。这整个过程,和自然界的光合作用还是有一定差别的。 ②现阶段光催化效率太低,完全比不上光伏发电的能量转换率(目前光伏发电对太阳能工业化利用效率平均可达22%[4]),因此离产业化的距离还很遥远。这个技术唯一的优势在于,可以直接将太阳能转化为燃料或化学品,方便储存和运输。 参考^李晓慧,范同祥.人工光合作用[J].化学进展, 2011, 23(9):13.DOI:CNKI:SUN:HXJZ.0.2011-09-004.^Xu Y , Duan L , Tong L ,et al.Visible light-driven water oxidation catalyzed by a highly efficient dinuclear ruthenium complex[J].Chemical Communications, 2010, 46(35):6506-6508.DOI:10.1039/c0cc01250e.^Sun L ,Bj?rn ?kermark,Leif Hammarstr?m,et al.Toward Solar Energy Conversion into Fuels: Design and Synthesis of Ruthenium-Manganese Supramolecular Complexes to Mimic the Function of Photosystem II[J].Journal of Biomechanical Engineering, 2003, 108(4):219-244.DOI:10.1021/bk-2003-0852.ch015.^https://casad.cas.cn/jczx/zxcg/ysjy/202305/t20230525_4890289.html |
这是一个很好的问题。 人类可以模仿树叶的光合作用进行制作出类似机器,但是目前相关研究仍在进行当中,尚未推广。能够生产大量粮食,但仍需不断完善,目前的效率和实用性暂时不是很高。 详细内容可以看看以下回答,本回答的内容主要来自于此: 光合作用反应可以被模拟吗?874 关注 · 17 回答问题 |
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人工光合系统的一种设想,几乎和植物光合作用一致,但是似乎过于理想化。事实上,这些包裹的酶系统并不能持续高效地工作,而是有着较大的损耗流失。 另一种类似的机制,虽说并没有合成糖类,但采用乙酸菌催化合成了乙酸: |
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这其实是一道题目,但比较直观就拿来演示了 这张图其实源自于加州大学伯克利分校杨培东先生的研究内容: |
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利用纳米线捕获光能,然后光解水产生氢离子,最后进行二氧化碳还原,产生乙酸,最后进一步反应,得到各种经济产物。 他的更多研究可以看看知乎上一位大佬做出的整理: 光合作用反应可以被模拟吗?43 赞同 · 3 评论回答 |
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可以,目前“人工光合成淀粉”处于技术成熟度4级。还有5级才能实现产品化。 一种技术成熟度的划分如下: |
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技术成熟度这个概念来自美国航空航天局,源于 20 世纪 70 年代美国国家航空航天局( NASA)并首先应用于航空航天领域来应对复杂系统的技术风险。1995 年美国国家航空航天局发布《技术成熟度白皮书》。 技术成熟度是指技术相对于某个具体系统或项目而言所处的发展状态,它反映了技术对于项目预期目标的满足程度。技术成熟度等级 ( Technology Readiness Level,TRL) ,也可称为技术完备等级,是对技术成熟程度进行度量和评测的一种标准。 |
难度很高,看似人类科技牛逼哄哄,确连小小叶绿工厂都无法模拟复刻。 可以考究【空气合成淀粉】相关技术,它就是模拟叶绿工厂的部分化学过程将二氧化碳转换成淀粉。 |
emmm,你说的有没有可能就是太阳能板? |
其实很不经济,能模拟但是涉及面太广了,这种仿生学应该还不如简单粗暴的用化学法,所以就没有必要生产这种机器。所以有人感慨,造物主的伟大,他以最巧妙的方式创造万物。所以,才有人相信神的存在。当然,我不信,我也不妄言诋毁。我只不过是一个理性的宇宙过客 |
最高效的光合作用, 最低的成本, 最清洁的生产流程, 最健壮的设计,可以自动修复。 最高的人文价值,自然价值。 答案是,种地。 100年后的科技,能超过三条都不得了。 就算超过三条, 该种地还是得种地。 有那么多心思, 不如好好想想, 如何 高效地种地。 |
能。 |
植物通过适应叶绿素的结构,使其具有量子效应,射入其中的光会以最短路径到达最佳反应地点,而人类不少并不能设计具有这个量子特性的光反应发生结构。 相当于,光知道所有路径,选择了其中最容易反应,距离最短的路线,很神奇的。 |
所以二氧化碳制作成淀粉的技术,已经实现了啊 |
一个有机体的最活跃部分的原子排列方式及相互作用方式,与现今所有的物理学家、化学家进行理论研究和实验的原子排列是不同的。 活细胞的最重要部分是染色体纤丝,我们也可以称之为非周期性晶体。直到现在,我们遇到的大多是周期性晶体。在一个普通的物理学家眼里,周期性晶体就已经是十分复杂的物质了——它们构成的极具吸引力和最复杂的结构使得无生命的自然界变幻莫测。 然而,如果拿它们与非周期性晶体相比的话,其复杂程度便逊色了许多。两种不同物质的结构差别,就像是糊墙纸和刺绣的不同;一个是重复同一的花纹,一个是绚丽多彩的刺绣。这就好比拉斐尔的花毡,它显示的不是单调的重复,而是伟大的富有创新意义的设计。 |
啊,这 你有没有见过那个阳台养小球藻的哥们儿 现在账号应该是这个,我不是很确定,但是内容大差不差ha |
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还有另一个路线,是乙醇梭菌处理冶炼工业的含碳尾气,发酵生产蛋白质 类似的国外也有很多相关研究 The State of the Science on Alternative Proteins: May through August 2023 - The Good Food Institute (gfi.org) Alternative Protein Sources - NCBI Bookshelf (nih.gov) 总的来说在技术上是没有问题的,接下来就是创造商业模式让人愿意消费这些非传统的食物了 一开始的价格相对于传统农产品显然没有优势。。。而发酵工艺本身对于杂质的控制也谈不上多好。。。 估计还是很困难的 |
太感动了,我高二时也有这种想法 当时我倒是没有这么志向高远,我感兴趣的是比叶绿素低一挡的紫膜系统(因为感觉更容易实现) 现在在某985化学本科在读,等人家50年,且听犬吠 |
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不能! 目前对光合作用的理解,是吸入二氧化碳CO2,排出氧气O2,然后植物获得成长,简单说,就是把碳原子吸收进植物体内,不同的植物,从其成长的状况,可以判断出,吸收碳原子C的方式不同,其材质和成长周期也不同,那么,据此可以做出判断,就是植物光合作用的过程,实际上也是一种对碳原子进行组织架构的过程,所以,如果人类能够模仿树叶进行光合作用,也就代表了人类可以从原子层面来进行构造物体了! 这意味着人类也可以打破万物之间的生殖隔离,揭开生命的秘码! |
你要知道,无论你怎么做,你的成本都不大可能低到和养藻相比,而这些藻类之所以没上你的餐桌,是因为它们实在是太难吃了。 |
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